食品酶学-酶学基础理论(第二章)

NADH + H+
CH3-CO- COOH 丙酮酸
用电泳法分离LDH可得到5种同工酶区带。都是 由H和M二种不同类型的亚基组成的四聚体。
乳酸脱氢酶同工酶电泳图谱
同工酶的测定可作为某些疾病的诊断指标。
正常人血清LDH主要来自红细胞渗出，活 力很低。当某一组织病变时，血清LDH同 工酶电泳图谱会发生变化。如肝细胞受 损早期，LDH总活性在正常范围内，但 LDH5升高；急性心肌变时，LDHl可升 高。
氢键
每个氨基酸残基 （第n个）的羰基 氧与多肽链C端方 向的第4个残基 （第n+4个）的酰 胺氮形成氢键。
β-折叠(β-sheet)
折叠片的构象是通过一个肽键的羰基氧和位于同一个肽链或相邻肽链 的另一个酰胺氢之间形成的氢键维持的。肽链分为平行排列（走向都 是由N到C方向）或者是反平行排列（肽链反向排列）。
1.总体积中只占相当小的部分（约1%2%）
2.酶分子表面的一个凹穴，具有一定柔性
3.活性中心为非极性的微环境 4.底物与酶通过形成较弱键力的次级 键相互作用并结合到酶的活性中心
5.酶的活性部位与底物的几何图形并 非正好吻合，底物或酶或两者的构象 同时变化后才相互契合
酶活性中心示意图
举例：酪氨酸酶（多分氧化酶） 酪氨酸酶在生物色素形成中的作用
蜂蜜品质同工酶电泳检测
• 比较两种天然蜂蜜与掺假所用的工业淀粉酶的同工 酶电泳，发现天然蜂蜜的淀粉酶同工酶酶谱和工业 淀粉酶的同工酶酶谱存在差异。
三. 酶的催化机制
底酶
物的
结作
锁钥学说（lock and key hypothesis）
合用 后专
才一
表性
过渡态学说
现必 出须
来通
。过
诱导契合学说
它 的
结构域
二级结构 二级结构
超二级结构
复杂超二 级结构
二级结构
结构域：多肽链在二级结构或超二级 结构的基础上形成三级结构的局部折 叠区，它是相对独立的紧密球状实体。
结构域
三级结构（球状蛋白质）
定义：由超二级结构进一步装配成相对独立的球状实体， 或再由两个或多个结构域装配成紧密的球状或椭球状的三 级结构。
中间产物学说涵 盖了对专一性机 制和对高效性机 制的解说。
辣根过氧化物酶
H2O 2
E
H2O + O2
E
ES1
棕红色
绿色
ES2
红色
E
棕红色
由无色的酶蛋白和棕色 的铁卟啉结合而成的糖 蛋白，糖含量18%。HRP 由多个同功酶组成，
2.锁钥学说
在酶的表面存在着一个特殊形状的活性部位，这个活性部 位在结构上能与底物精确地互补。底物与酶之间存在某种立体 专一结合。底物类似钥匙，酶类似锁。
经常构成酶活性部位和其他蛋白质特异的功能部位。
超二级结构和结构域
超二级结构：若干相邻的二级结构元件（主要是α-螺旋和 β-折叠）组合在一起，彼此相互作用，形成种类不多的， 有规则的二级结构组合（combination）或二级结构串 (cluster)。
通常有3种基本组合形式：αα、βαβ和ββ。
4.结构与性质互补假说
底物结构和酶活性中心的结构性质是互补的
5.靠近及定向作用
定向效应：相互靠近的底物分子之间及底物分子的反应基团 与酶的催化基团之间结合于同一分子而使有效浓度得以极 大的升高，从而使反应速率增加的一种效应。
邻 近 与 定 向
A. 酶的催化基 团和底物的反应 基团既不靠近， 也不定向。
温和性
酶催化的化学反应，在温和的条件下就可以进 行。不需要常规的化学催化剂所要求的强酸、强碱 或高温、高压等条件，因此能最大程度的保留食品 中的营养成分。
可调性
调节酶的降解
共价调节
诱导或抑制酶的合成
别构调节
酶含量的调节
酶活性的调节
2.4 酶的相关概念
（一） 酶原
酶原是活性酶的前体，需经激活才显示出酶的性。 由酶原转变为活性酶，可通过酶或氢离子的催化而实现。
（b）催化基团的精确定向
对于底物转变成产物是必 需的； （c）底物诱导酶蛋白几何形 状的改变使得催化基团能 精确地走向和底物结合到 酶的活性部位上去。
A、B催化基团
C结合基团
羧
肽
酶
Glu270
Zn
结
合
Tyr248
底
Arg145
物
前
后
构
象
Zn
底物
变
化
诱导契合与钥匙学说的区别
酶的活性部位 是刚性的；酶 与底物在表面 结构的特定部 位其形状是互 补的。
过渡态
能
量 一般催化剂 反应活化能
改
非催化反应 活化能
ES ( 过渡态)
酶促反应 活化能
变
底物（初态）
反应总能量变化
产物（终态）
活化过程
酶促反应活化能的改变
从溶从菌溶酶菌结酶构结的构研的究研中究，中已，制已成制它成与它底与物底形物成形复成合复物合的物的 结晶结，晶并，得并到得了到X了线X衍线射衍图射，图证，明证了明E了SE复S合复物合的物存的在存在
酶的二级结构(secondary structure of protein)
二级结构：肽链中局部肽段的构像。
α-
二 α-螺旋（α-helix）
螺 旋
级 β-折叠(β-sheet)
结
结 构
β-转角(β-turn)
构
无规卷曲(randon coil)
❖典型右手α-螺旋结构：螺距为0.54nm， 每一圈含有3.6个氨基酸残基，每个残基 沿着螺旋的长轴上升0.15nm，螺旋的半径 为0.23nm。
（prosthetic group)
辅基
辅基：与酶蛋白结合 得紧密的小分子有 机物或金属离子。
如丙酮酸氧化酶中的FAD.
黄素腺嘌呤二核苷酸，VB2
辅因子
2.2 酶的活性中心
（一）活性中心
酶蛋白上只有少数氨基酸残基参与酶对底物的结合和 催化，这些相关氨基酸残基在空间上比较靠近，形成一 个与酶活性直接有关的区域（在酶分子表面上具有三维 结构的特定区域）,称为酶的活性中心，又称活性部位 (active site）。 胰凝乳蛋白酶活性中心含有Ile16、His57、Asp102、Asp194、 ser195。
稳定酶蛋白质三维结构的作用力 Cysteine
酶分子组成(聚合状态)
单纯酶
酶
决定专
一性
结合酶
脱辅酶
辅因子
结合酶（缀合蛋白质）：如脲酶、淀粉酶、脂肪酶、蛋 白酶和核糖核酸酶等
酶分子组成(辅因子)
与酶蛋白结合得比较松的 小分子有机物。
如辅酶1（NAD+） 和辅酶2（NADP）
（coenzyme）
辅酶
必需基团
1.酶活性中心的一些化学基团为酶发挥催化作用所必需，故 称为必需基团。
在酶活性中心以 外的区域，也有 不和底物直接作 用的必需基团， 称为活性中心外 的必需基团。这 些基团与维持整 个酶分子的空间 构象有关
1
接触残基
2
助残基
3
结构残基
?
4
非贡献残基
结构残 基
非贡献 残基
助残 基
酶活性中心的特点
别构酶的特点：
已知的变构酶都是寡聚酶。 变构酶分子上除了活性中心外，还有调节中心。
这两个中心处在酶蛋白的不同部位，有的在不同 的亚基上，有的在同一亚基上。
变构酶的 v-[S] 的关系不符合米氏方程，所以其 曲线不是双曲线型。
（三）同工酶（isozyme）
同工酶是指能催化相同的化学反应，但蛋白质分子结构不 同的一组酶。
3.诱导契合学说
1958年，Koshand提出
酶分子(包括辅酶在内)的构象与底物原来并非恰当吻合， 只有底物分子与酶分子通过电性吸引、疏水作用相靠 近时，才可诱导后者的构象变得能与底物配合， 然后 才结合形成中间复合物，进而引起底物分子发生相应 的化学变化。
诱导楔合模型要点：
（a）当底物与酶的活性部位 结合时，酶蛋白的几何形 状有相当大的改变；
B. 两个基团靠 近，但不定向， 不利于反应进 行。
C. 两个基团既 靠近，又定向， 有利于反应进 行。
靠近及定向作用
靠近效应：底物与酶的活性部位靠近时，会使酶活性 部位底物浓度大大增高，从而提高反应速度。而且， 越是靠近酶的催化基团，反应速度越快。
B
A
A
B
A
A B
A
A
酶
• 底物分子形变
由于酶同底物的结合，酶中的某些基团或离子可 以使底物敏感键中的某些基团的电子云密度增高 或降低，从而产生一种“电子张力”，使底物分 子发生形变。
别构酶通常由多个亚基组成，活性中心和别构中心可分布 在不同的亚基，也可分布在同一亚基的不同部位，能结合 别构效应剂的亚基为别构亚基。
别构效应剂一般为小分子代谢物，可以是别构酶的底物， 也可以是代谢通路上的产物。别构效应剂与别构激活剂和 别构抑制剂。
异柠檬酸脱氢酶是别构酶，NAD+、ADP和柠檬酸是该酶 的别构激活剂，而NADH和ATP是别构抑制剂。
食品科学与工程
第2章 食品酶学基础理论
主讲人：谢 勇
酶的结构
2.1 酶的结构
酶由氨基酸 组成，有蛋白 所具有的化学 呈色反应
化学本质依据
酶的分子质 量很大，具有
空间结构
酶具两性性质、 不能通过半透膜 等胶体性质
凡使蛋白质变 性的因素都可 使酶变性失活
酶的一级结构 一级结构：蛋白质肽链的氨基酸残基的排列顺序。
β-转角(β-turn)
β-turn：蛋白质分子多肽链在形成空间构象的时候，经常会出 现180°的回折（转折），回折处的结构就称为β-转角结构。
一般含有2～16个氨基酸残基。含有5个氨基酸残基以上的转角又常称 之环（loops）。
转角的特点
• 常见的转角含有4个氨基 酸残基，有两个特点。
第1个氨基酸残基羰基氧
活
性
中
结构与性质互补假说
心
和
1、中间产物学说
酶如何使反应的活化能降低而体现出极为强大的 催化效率呢?
目前较满意的解释是：
中间产物学说
又叫 过渡态学说
中间产物学说
酶与底物通过形成过渡态的 中间产物使反应沿一个低活化能 的途径进行。
E+S
ES ES EP E + P
目前许多实验事实证明了中间复合物的存在。
四级结构
特定三级结构肽链通过非共价键缔合 形成的大分子。四级结构的蛋白质中 每个球状蛋白质称为亚基，亚基一般 是一条多肽链。
单体蛋白：仅由一个亚基组成无四级结构的蛋白质如核糖核酸酶。
多聚蛋 白质
同多聚：由单一类型的亚基组成，如肝乙醇脱氢酶。 杂多聚：由几种不同类型的亚基组成，如天冬氨酸转甲酰酶。
稳定酶蛋白质三维结构的作用力
酶的活性部位是 柔性的；酶与底 物相互接近时， 其结构相互诱导、 相互变形和相互 适应，进而相互 结合。
能解释锁钥学说不能解释的实验事实，但也有局限性：
不是酶的底物或酶的抑制物，不能诱导酶分子的构象发生变化，或即使有少 许变化，也不能使酶分子与有关催化基团处于互补契合位置。
实际上，大于底物或小于底物的类似物亦能诱导酶分子的构象发生变化。
酶的钥匙-锁催化机制示意图
2.锁钥学说
1890年，德国有机化学家E.Fisher提出。
当中间复合物形成时，会促进底物结构发生某些化学变 化(如底物分子的键被扭曲)，变形而断裂，转变为产物。
可解释酶的立体专一性和底物饱和曲线动 力学。
缺点：
认为酶的结构是刚性的， 难以解释一个酶可以催化正、 逆两个反应，因产物(或逆反应的底物)的形状、构象和底 物完全不同。
凝血酶
纤维蛋白原
纤维蛋白肽A和B
不溶性纤 维蛋白
多聚体纤维蛋 白交织成网
凝血酶原
凝血酶
精氨酸-异亮氨 酸的键发生断裂
（二）别构酶（allosteric enzyme）
当某些化合物以非共价方法结合于别构中心部位后，可使酶 蛋白的构象发生改变，从而改变酶活性，这种效应称为别 构效应，具有别构效应的酶即为别构酶。有活性中心和别 构中心。。
与第4个残基的酰胺氮之间形成氢键；
Glycine
第3个残基往往是甘氨酸。这两 种转角中的第2个残基大都是脯氨 酸。
Proline
无规卷曲(randon coil)
它泛指那些不能被归入明确的二级结构如折叠片或螺旋的 多肽区段。
对于一些蛋白质分子无规卷曲特定构象是不能被破坏的，否则 影响整体分子构象和活性。
由于蛋白质分子结构不同，各同工酶的理化性质、免疫学 性质都存在很多差异。
同工酶不仅存在于同一机体的不同组织中，也存在于同一 组织细胞的不同亚细胞结构中。
已陆续发现的同工酶达数百种，其中研究得最多的是乳酸 脱氢酶(LDH)。哺乳动物中有5种乳酸脱氢酶同工酶.
NAD+
CH3-CHOH-COOH 乳酸
聚化反应
酪氨酸酶催化生成黑色素过程
酪氨酸酶的活性中心
2.3 酶的功能及特点 生物催化剂：催化生物体体内各类化学反应。
（一） 酶和一般催化剂的共性
用量少 效率高
改变反应速度 反应前后不变
降低反应活化能
（二）酶与一般催化剂的差异
高效性
高度专一性
酶对其所作用的物质有着严格的选择性。—种 酶仅能作用于一种物质，或一类结构相似的物质， 发生一定的化学反应，而对其他物质不具有活性， 这种对底物的选择性称为酶的专一性。